新型壓水堆核電廠一次調頻汽輪機控制探討

摘要：新型壓水堆核電廠汽輪機在電網(wǎng)頻率波動情況下，利用文章給出的負荷調節(jié)等四種汽輪機控制模式，可以控制發(fā)電機組的功率輸出和維持汽機頻率穩(wěn)定。預防汽輪機汽門不可控的開大或者關小，并且為發(fā)電機組并網(wǎng)和解列提供了可行的控制途徑。通過維持發(fā)電機組的頻率輸出穩(wěn)定，保證了電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

關鍵詞：新型壓水堆核電廠；一次調頻汽輪機；電網(wǎng)頻率；負荷調節(jié)；負荷限制；汽機轉速 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM623 文章編號：1009-2374（2015）10-0081-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0894

隨著工業(yè)的發(fā)展和對能源需求的日益加劇，清潔環(huán)保的核電勢必會得到廣泛認可。同時隨著核電機組份額的提高以及核電廠的特殊性，隨之而來的問題就是如何在電網(wǎng)頻率波動以及并網(wǎng)解列過程中確保核發(fā)電機組的穩(wěn)定運行，減小對一回路造成的沖擊，確保反應堆安全可靠運行。除了反應堆控制系統(tǒng)的可靠之外，汽輪機應對頻率波動的控制手段也是非常重要的。作為新型壓水堆核電的典范，三門一期工程汽輪機采用日本三菱重工技術，汽機有1個高壓缸和3個低壓缸，控制高壓缸的進汽閥門有4個主汽閥（MSV）和4個主調閥（GV），控制低壓缸進汽閥門有6個再熱主汽閥（RSV）和6個再熱主調閥（ICV）。為了方便起見，下文中我們將GV（主調閥）和ICV（再熱主調閥）統(tǒng)稱為GV（調節(jié)閥）。汽輪機負荷及轉速的調節(jié)實際上就是對這幾個調節(jié)閥開度的控制。針對這種汽輪機本文介紹的負荷調節(jié)控制模式、負荷限制控制模式、負荷調節(jié)自動跟蹤模式、負荷限制自動跟蹤模式能夠應對不同工況下電網(wǎng)頻率波動。

1 負荷調節(jié)控制模式

1.1 負荷調節(jié)控制模式的目的

在發(fā)電機組正常運行期間汽輪機轉速（頻率）是跟蹤電網(wǎng)頻率的，或者說是要將電網(wǎng)頻率穩(wěn)定在目標值（50Hz）以上并使之與汽輪機轉速相一致，所以我們可以認為汽輪機的轉速和電網(wǎng)頻率表征同一個物理量。負荷調節(jié)控制模式的目的就是在發(fā)電機組并網(wǎng)運行期間根據(jù)電網(wǎng)頻率控制汽輪機的輸出，從而保證電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定，也就是保證汽輪機轉速（頻率）的穩(wěn)定。而汽輪機輸出是通過控制GV（調節(jié)閥，是Governor Valve的縮寫，不是具體指主調節(jié)閥，或者可以理解這里的GV是主調節(jié)閥GV和再熱調節(jié)閥ICV的統(tǒng)稱）的開度來控制。與此同時在發(fā)電機組與電網(wǎng)解列期間，此種模式也可以控制汽輪機的轉速以達到與電網(wǎng)的同期。

1.2 負荷調節(jié)控制模式的控制方式

如果額定汽機轉速與實際汽機轉速之間有一個偏差，此偏差信號將會線性比例的控制GV開度，從而控制汽輪機的輸出，直到此偏差信號為零位置，達到控制汽輪機實際轉速的目的，從而也達到了控制電網(wǎng)頻率的目的。如圖1當轉速（頻率）偏差從0至4.5%變化的時候汽輪機的負荷是從100%額定功率變化到0負荷的。

圖1 負荷調節(jié)控制模式下轉速和負荷的關系

轉速調節(jié)信號的計算過程如圖2所示，閥位需求信號是轉速調節(jié)信號和負荷調節(jié)設定值的和。GV閥位需求（GVPD）是負荷限制需求（下面將會講到）和負荷調節(jié)需求經過低選之后得到的結果。

GV閥位需求（0～100%）這個參數(shù)信號用來控制主調閥（縮寫也是GV）和再熱調閥（ICV）的閥位，這個閥位大致反映了最終的汽輪機輸出（0～100%）。

圖2 負荷調節(jié)控制功能

當汽機啟動的時候，閥門切換完成之后負荷調節(jié)控制模式就開始控制汽輪機轉速。由于并網(wǎng)同期的需求，在并網(wǎng)之前轉速設定值必須能夠改變。此時轉速設定值可以在-6%～6%（1410～1590rpm）之間手動設定。1410rpm和1590rpm分別是負荷調節(jié)控制模式的低限值和高限值。汽輪機轉速升速率可以在50rpm、75rpm、150rpm之中選擇。自動同期系統(tǒng)可以使轉速設定值增加或降低。在并網(wǎng)運行期間，轉速設定值切換為額定轉速以便根據(jù)轉速差控制負荷。并網(wǎng)運行期間如果選擇了負荷調節(jié)控制模式就可以通過改變負荷調節(jié)設定值調整汽輪機的輸出。

并網(wǎng)完成后如果此時電網(wǎng)頻率大于額定頻率，負荷調節(jié)控制模式就會使GV閥位需求降低，那么就有可能使控制調節(jié)閥全關讓汽輪機以“電動機模式”運行。為了避免這種情況發(fā)生，一旦并網(wǎng)完成負荷調節(jié)設定值立即改變使GV閥位需求達到5%的初始負荷。

所謂“電動機模式”就是指流入汽輪機的蒸汽流量小于所需的蒸汽流量，發(fā)電機就會變成同步電動機，汽輪機就會在一定程度上被發(fā)電機驅動，所需電能來自于電網(wǎng)。此種情況下由于進入汽機的蒸汽流量變小，汽機末級葉片產生的鼓風效應會使汽輪機排氣腔室溫度升高，從而引起汽輪機的變形導致汽機的震動。

2 負荷限制控制模式

當在操作員控制屏上設定負荷限制需求小于負荷調節(jié)需求，汽機控制模式就會切換成負荷限制控制模式，主調閥和再熱汽閥的閥位就會固定。另外通過選擇負荷調節(jié)自動跟蹤模式汽輪機就會輕易地變成負荷限制控制模式（見下節(jié)）。電網(wǎng)頻率（汽機轉速）和GV閥位需求之間的關系見圖3所示：

圖3 電網(wǎng)頻率（汽機轉速）和GV閥位需求之間的關系

負荷設定值的上限和下限值分別是130%和-50%，在此區(qū)間之內可以根據(jù)需要任意設定。上限值之所以會設定130%是因為和所有調節(jié)閥全開負荷限制設定值120%之間有一定裕量；同理，下限值設定-50%是因為和所有調節(jié)閥全關負荷限制設定值-30%之間有一定裕量。

在停機狀態(tài)（所有閥門全關），負荷限制設定值自動設置為-50%以便讓所有的調節(jié)閥全部可靠關閉。在汽輪機啟動的時候“CLOSING ALL VALVES”指令會被“EH AUTO”指令（掛閘）所復位，此時所有的調節(jié)閥全部開啟以讓主汽閥（MSV）控制進入汽機的蒸汽流量來沖轉升速。與此同時，負荷限制設定值設為130%以讓所有調節(jié)閥順利全開而不受任何阻止。

在電網(wǎng)解列的時候負荷調節(jié)設定值是0%（相當于無負荷），此時負荷限制設定值自動變?yōu)?30%，這樣負荷調節(jié)控制模式控制汽輪機轉速的時候就不會受到任何限制約束。

除了汽輪機啟動和解列期間之外，負荷限制設定值在選擇“EH AUTO”指令之后可以手動切換至負荷限制控制模式。此目的就是并網(wǎng)運行期間當電網(wǎng)頻率低的時候限制GV閥位需求的增大，防止調節(jié)閥沒有限制的開大，詳見圖4所示：

圖4 低電網(wǎng)頻率時并網(wǎng)運行

3 負荷調節(jié)自動跟蹤模式

當負荷調節(jié)自動跟蹤模式被選定之后，負荷調節(jié)設定值自動變?yōu)樨摵上拗圃O定值與跟蹤帶寬（10%）之和。如圖5當電網(wǎng)頻率波動且增加到50.225Hz，由于電網(wǎng)頻率的增加運行模式變?yōu)樨摵烧{節(jié)控制模式，調節(jié)閥就會被關小。跟蹤帶寬的選擇依賴于電網(wǎng)的需求，一般情況下選擇10%。

圖5 負荷限制控制模式下頻率增加關閉調節(jié)閥

通過負荷調節(jié)自動跟蹤模式，控制模式自動切換并且不會對當前汽機負荷造成任何干擾，如圖6所示：

圖6 負荷調節(jié)自動跟蹤模式的切換

4 負荷限制自動跟蹤模式

負荷限制自動跟蹤模式就是讓負荷限制設定值在一定跟蹤帶寬內自動跟蹤負荷調節(jié)設定值，目的就是在電網(wǎng)負頻率動劇烈減小時在負荷限制控制模式下保持調節(jié)閥開度，防止調節(jié)閥快開，造成核島超負荷，此時對反應堆造成的影響可能會使堆芯過冷，從而引入正反應性，對電廠安全造成一定沖擊。

當在操作員控制屏上選擇負荷限制自動跟蹤模式后，負荷限制設定值自動變?yōu)樨摵烧{節(jié)設定值與跟蹤帶寬之和。跟蹤帶寬一般也選擇10%。如圖7所示，當電網(wǎng)頻率降低至49.775Hz時，由于電網(wǎng)頻率的降低和負荷限制自動跟蹤模式的投入，自動切換到負荷限制控制模式，限值GV閥位需求的增加，從而限制調節(jié)閥的開大，防止汽機和核島超負荷。

同樣，通過負荷限值自動跟蹤模式，控制模式自動切換并且不會對當前汽機負荷造成任何干擾。

圖7 負荷限制自動跟蹤模式運行

電站正常功率運行時采用的是負荷調節(jié)自動跟蹤模式，現(xiàn)假設頻率在50Hz的時候，汽輪機要求的是處功率是100%滿功率，那么當電網(wǎng)頻率波動升至51Hz的時候，此時汽輪機的輸出功率應當如何計算。參考圖7，頻率在50Hz的時候，汽輪機要求的是處功率是100%，那么此時的負荷限制設定值對應的GV閥位需求應該是100%，負荷調節(jié)

設定值對應的GV閥位需求應該是110%，如圖8所示：

圖8 負荷調節(jié)自動跟蹤模式下汽機功率計算

不難算出汽機0負荷的時候對應的電網(wǎng)頻率是52.475Hz，那么在50～52.475Hz之間的任一電網(wǎng)頻率f對應的汽機負荷Load如下式：

f=51，那么Load就是65.56%。由此可見在電網(wǎng)頻率波動尤其是升高的情況下，負荷調節(jié)跟蹤模式可以很好地控制汽輪機的輸出功率，汽輪機的功率降低之后，整個電網(wǎng)的頻率就會降低，電網(wǎng)頻率降低之后乃至恢復到正常50Hz汽輪機的功率也將恢復到100%負荷。所以負荷調節(jié)跟蹤模式在機組正常運行時對穩(wěn)定電網(wǎng)頻率是意義重大的。然而汽輪機的甩負荷必然會影響到一回路反應堆的運行，在堆跟機運行方式下反應堆功率調節(jié)系統(tǒng)的可靠性是非常重要的，而且考慮到經濟性和機械疲勞等問題，反應堆功率和汽輪機功率最好維持在額定功率穩(wěn)定運行，這就要求電網(wǎng)頻率穩(wěn)定、波動不大?？梢婋娋W(wǎng)頻率的穩(wěn)定不但是用戶所要求的，也是電廠的經濟運行和可靠控制過程中至關重要的因素。

5 結語

目前來說，核電廠很少參與調峰，也就是二次調頻很少參與，那么電網(wǎng)頻率波動對核電廠來說主要就是靠調速器這種一次調頻的方式來進行。上述四種汽機控制方式實現(xiàn)簡單，各種控制方式之間根據(jù)需要可以互相配合，無擾切換，降低了發(fā)電機組，核電廠一回路，反應堆的瞬態(tài)風險。并且根據(jù)不同的工況可以手動選取不同的控制模式，以應對不同條件下的電網(wǎng)頻率波動。在汽輪機啟動，發(fā)電機組與電網(wǎng)并網(wǎng)、解列、停機過程中，可以通過選擇不同的控制模式，保證汽輪機輸出之外，還可以控制汽輪機的轉速。各種控制參數(shù)包括轉速設定值、負荷調節(jié)設定值、負荷限制設定值等都可以根據(jù)需要任意設定改變，這就給控制增添了不少靈活性。因此，這一體系的汽機控制方式可以在不同情景下應對不同的電網(wǎng)頻率波動來可靠控制汽輪機的功率輸出和轉速，對改善電網(wǎng)頻率波動也有一定貢獻。從根本上進一步改善我國電網(wǎng)電能的品質，保證電網(wǎng)電壓、頻率穩(wěn)定，電廠不但要參與調節(jié)，電網(wǎng)的負荷也需合理分配。優(yōu)良的電能品質需要合理的一次調頻和二次調頻乃至三次調頻，是電力系統(tǒng)需要研究的問題，也是衡量國家工業(yè)先進程度的標準。

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作者簡介：史卓忠（1987-），男，陜西寶雞人，中核遼寧核電有限公司預備操縱員，助理工程師，研究方向：核電廠運行及控制。

（責任編輯：黃銀芳）